有机酸工艺学曲酸课件

1 曲 酸 2 p 曲酸的性质与应用 p 曲酸的历史与生产 p 案例分析 主要内容 3 性质与应用 4 p 曲酸( Kojic Acid)是一种与葡萄糖结构相似的有机酸，其化学名称 是2-羟甲基-5-羟基-1,4-吡喃酮，分子式为C6H6O4。 p 曲酸外观为白色棱柱形、针状晶体或粉末，熔点为151154， 易溶于水、甲醇、乙醇和丙酮，微溶于醚、乙酸乙酯、氯仿和吡啶 ，难溶于苯等大部分其他溶剂。曲酸虽然溶于水但溶解度不大，在 水中溶解度2.88 g（20），在乙醇中溶解度稍小于水。 性质 5 性质 p 曲酸分子结构中羰基附近存在一个醇羟基，能与多种金属生成盐，其他羟基可以 生成醚、酯类衍生物；同时曲酸具有酚羟基和烯醇结构，所以曲酸也是一种具有 还原性的有机物弱酸，可还原斐林试剂和硝酸银氨等。 p 曲酸由于含有烯醇式结构而稳定性差，对光和热敏感，在空气中易被氧化，把浓 度为0.5%的曲酸溶液在不同pH下100处理3 h或太阳光照射5 h，结果在pH 5 7范围溶液变成淡黄或黄褐色，而在pH 4变化不大。 p 曲酸能螯合金属离子，如可与Fe3+络合作用呈特殊的红色，也可以与Cu2+、 Mn2+等其他金属离子发生螯合反应。 6 性质与应用-抑菌活性 p 曲酸对大部分细菌和 某些酵母有较好的抑 制作用。 p 曲酸浓度为0.20.4时能对细菌起 到良好的抑制效果，尤其是对大肠杆菌 等革兰氏阴性细菌有明显的抑制效果， 因而常用曲酸及其衍生物作为革兰氏阴 性菌的抑制剂。 p 曲酸对真核微生物的抑制作用弱于原核 细菌，可能与曲酸的抑菌机制有关。 7 性质与应用-抑菌活性 p 与苯甲酸钠只能在酸性条件下才有抑菌作用不同，pH对曲酸的抑 菌效果没有较大影响，所以可能是曲酸对细菌抑制作用主要是抑制 DNA复制所需的一些酶的活力。与相同浓度的苯甲酸钠相比，曲酸 抑菌能力明显强于苯甲酸钠。 p 曲酸的热稳定性良好，经热处理后仍有良好的抑菌效果，并在食品 加工中是安全无害的，因此广泛应用在食品防腐剂。 8 性质与应用-抑制酪氨酸酶活性 p 酪氨酸酶，又称多酚氧化酶（PPO），是一种活性中心含双核Cu2+的氧化还原 酶， Cu2+直接参与催化作用。 p 酪氨酸酶催化L-酪氨酸羟基化转变为L-多巴（单酚酶活性）和氧化L-多巴形成多 巴醌（二酚酶活性），多巴醌经一系列反应后，形成黑色素。 p 酪氨酸酶具有独特的双重催化功能，是生物体内黑色素合成的关键酶，与人的 衰老有密切关系。其异常过量表达可导致人体的色素沉着性疾病。 9 性质与应用-抑制酪氨酸酶活性 p 曲酸对酪氨酸酶活性的抑制是通过多种途径控制完成的。 p 首先，曲酸结构与L-多巴比较相似，环上有1/2亲水性的羟基结构，可与游离酶 结合而与酚类物竞争酶的活性中心，有效阻隔酪氨酸酶与酚类物的结合从而抑制 酶促氧化反应的发生，表现为竞争性抑制。 p 其次，曲酸可以鳌合酪氨酸酶活性必需的Cu2+ ，5位羟基和4位酮基可与酪氨酸 酶活性中心上的Cu2+络合，从而抑制酶活。 p 第三，曲酸能通过去除氧自由基干扰酪氨酸酶酶促反应中对O2的吸收。 p 最后，曲酸能还原将二酚酶催化的产物醌类化合物为二酚而阻止黑色素的形成。 10 p 酪氨酸酶抑制剂可以治疗目前常见的色素沉着性皮肤病如雀斑、黄褐斑、老年 斑。市场上流行的美白化妆品中的熊果苷、维生素C衍生物、曲酸及其衍生物 、绿茶提取物、甘草提取物等中药提取物等均为酪氨酸酶抑制剂，主要是通过 抑制酪氨酸酶的活性而达到抑制黑色素合成，进而发挥美白的作用，可应用于 化妆品行业。 性质与应用-抑制酪氨酸酶活性 11 性质与应用-抗氧化性 p 曲酸具有酚羟基和烯醇结构，可表现为抗氧化性。曲酸能抑制体 内超氧歧化酶活性，强力清除体内自由基。 p 曲酸对D-型氨基酸、L-苯丙氨酸、L-蛋氨酸的氧化酶以及黄嘌呤氧 化酶等有竞争性抑制作用，因此可能会影响生物体内某些氨基酸 以及黄嘌呤的代谢。 p 曲酸可有效延缓褐变，0.3%和0.5%曲酸即可使鲜切果蔬色褐变 时间推迟一倍，比1%柠檬酸的效果好。 12 性质与应用 p 曲酸还有保鲜作用，经曲酸处理可有效减少鲜切西兰花贮藏期间水 分的散失，延缓TA、VC和叶绿素含量的下降，显著提高鲜切西兰 花的贮藏品质。 p 曲酸还可以抑制甲壳类水产品的褐变。曲酸添加到肉类食品中时， 与肌红蛋白中的铁有血红色反应，减少某些有害发色剂的使用，且 与VC、烟酰胺等目前使用的护色剂有很好的加成作用，曲酸还能抑 制亚硝酸盐转化为亚硝胺、防止油脂变质、防止生面褐变。 p 曲酸具有抗菌防腐、抗氧化、抗癌、护色、保鲜等作用，并且无色 、无味、无毒，是一种潜在的、性能优越的食品添加剂。 13 p 医药行业中，曲酸具有抑菌活性，可以作为消炎药和止痛药，还具 有抗癌作用。曲酸是一种天然化合物，可以作为一种较安全的抗真 菌化学增敏剂，降低所必需的有效控制真菌的抗真菌药物剂量水平 ，在与抗真菌剂治疗选择性地抑制真菌病原体同时减少副作用。 p 曲酸的衍生物也能广泛应用在医药方面，如某些曲酸的衍生物能有 效抑制人中性粒细胞弹性蛋白酶（HNE）的活性，从而应用于慢性 和急性炎症性肺部疾病的治疗。 性质与应用 14 性质与应用 p 在农业中，曲酸作为杀虫剂，也可用作杀虫剂的螯合剂、活化剂，被广泛用于农 业杀虫剂的生产。 p 曲酸对小菜蛾酚氧化酶抑制作用，发现曲酸与昆虫酚氧化酶活性中心Cu2+螯合而 抑制其活性，从而引起小菜蛾死亡。 p 曲酸能抑制某些昆虫的生长发育，如棉铃虫、草地贪夜蛾、家蝇和果蝇等，曲酸 还能诱导某些昆虫如斑皮蠹属幼虫不育。 p 曲酸还可用作农作物的生长促进剂，使粮食和蔬菜有明显的增产，可以配制成低 浓度喷洒到叶面。 15 历史与生产 16 发现史 p1907年Saito首次从米曲抽提液中发现并分离出曲酸。 p1912年由Yabuta命名，并于1924年确定其分子式、结构。 p酒类、酱油及豆瓣酱等酿造中均可检测到曲酸的存在，普 遍认为曲酸是安全的。 17 生产-发酵微生物 p 自然界中广泛存在能够产生曲酸的微生物，大多数为曲霉，如米曲霉、 米黄曲霉、黄曲霉、亮白曲霉、棒曲霉、巨大曲霉、烟曲霉、溜曲霉、 温特曲霉、灰绿曲霉、疏展曲霉、构巢曲霉和寄生曲霉等。 p 少数青霉如产苹果青霉、曲酸青霉等，某些细菌如玫瑰葡糖杆菌、蜡状 葡糖杆菌和若干假单胞菌也可利用糖类生成曲酸。 18 生产-产酸微生物筛选 p El-Aziz等从土壤中分离出58株霉菌，包括6种曲霉、1种毛霉和2种青霉， 各菌株产曲酸能力差异很大，筛选出米曲霉、黄曲霉、寄生曲霉、烟曲 霉及产黄青霉产曲酸能力较强，其中黄曲霉曲酸产量最高可达到50.57 g/L。 p Rashad M. Saleh等从6株木霉中筛选发现里氏木霉和绿色木霉在发酵过程 中能合成少量曲酸，曲酸产量分别为3 g/L和5 g/L。 p El-Kady等从278株真菌中筛出5株菌曲酸产量较高，包括3株黄曲霉和2株 黄曲霉柱头变种，进行发酵优化后曲酸最高可达53.5 g/L。 p 目前曲酸生产菌中产量较高的多是米曲霉和黄曲霉，但利用黄曲霉生产 曲酸时需要检测黄曲霉毒素。通过一定筛选手段发现越来越多的曲酸产 生的优良菌株，对曲酸工业化生产具有十分重要的意义。 19 生产-育种（传统） p 直接从自然界中筛选获得的野生菌株产曲酸能力大部分不能 满足工业生产需求，因此可以采用理化手段（物理诱变、化 学诱变及复合诱变）对曲酸生产菌诱变筛选，选育出曲酸产 量高的生产菌株。 p 目前使用物理诱变选育曲酸高产菌的手段有：紫外线诱变、 射线诱变、微波诱变、激光诱变、N+注入诱变等。 p Wan H.-M.等通过多次NTG、UV诱变米曲霉ATCC 22788的 孢子及原生质体，曲酸产量提高了100多倍，达到41 g/L。 20 生产-育种（基因工程） p Ryosuke Yamada等通过基因工程手段对米曲霉 RIB40进行分子改造，构建了 可以过量表达编码转录因子Zn(II)2Cy6的基因kojR的重组菌NSPID1/Pis1-kojR ，提高控制曲酸合成的相关基因kojR、kojA和kojT的转录水平。该菌利用葡 萄糖合成曲酸时产量由原来的16.4 g/L提高到26.4 g/L，利用淀粉合成曲酸时 产量由原来的6.2 g/L提高到19.4 g/L。 p Ryosuke Yamada还将含有3个纤维素酶基因的质粒导入到重组菌中，可以直 接利用磷酸膨胀纤维素（PASC）合成曲酸。该研究首次利用纤维素合成曲酸 ，增加了合成曲酸原料的种类，并对结合发酵工程和基因工程提高曲酸产量 具有指导意义。 21 生产-发酵优化 p 曲酸的产量不仅与菌株的遗传特性有关，还与其所处的环境有着密切的关系 。微生物只有在适宜的环境生长代谢才能将其性能发挥到最优水平，而原始 条件往往不能满足其需求，因此还需对菌株的培养基及培养条件进行研究， 最终使目的产物的产量有很大的提高。 p 实验室常通过单因素实验、正交实验